表面検査方法および表面検査装置
【課題】干渉縞画像および表面画像のコントラストの向上を図る。
【解決手段】被検レンズ１０の被検面１０Ａに照射する照明光を発する光源１７と、主光路５上に配置され、照明光の一部を反射する参照面１１Ａを有する参照レンズ３７と、光源１７から発せられ、参照面１１Ａにより反射された参照面反射光と、参照面１１Ａを透過して被検レンズ１０の被検面１０Ａにより反射され、参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、撮像素子により取得された画像を処理する画像処理部４３とを備え、該画像処理部４３が、参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部４２と、参照面反射光と被検面反射光から得られる第２の光量分布から、記憶部４２に記憶されている第１の光量分布を減算する演算部４４とを有する表面検査装置１を提供する。
【解決手段】被検レンズ１０の被検面１０Ａに照射する照明光を発する光源１７と、主光路５上に配置され、照明光の一部を反射する参照面１１Ａを有する参照レンズ３７と、光源１７から発せられ、参照面１１Ａにより反射された参照面反射光と、参照面１１Ａを透過して被検レンズ１０の被検面１０Ａにより反射され、参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、撮像素子により取得された画像を処理する画像処理部４３とを備え、該画像処理部４３が、参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部４２と、参照面反射光と被検面反射光から得られる第２の光量分布から、記憶部４２に記憶されている第１の光量分布を減算する演算部４４とを有する表面検査装置１を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査方法および表面検査装置に関するものである。特に、曲率半径が小さく、かつ半球に近いレンズ面の面精度および表面欠陥を検査する表面検査方法および表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学部品等の表面形状を観察するための手段として、パスマッチ機構を持つフィゾー型干渉計を用いた表面検査装置が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載されている透明薄板測定用干渉計によれば、光源から出力された光のうち、基準体の基準面によって反射される反射光と、この基準面を透過して透明薄板の被検面によって反射される反射光とを干渉させ、ＣＣＤ素子に形成される干渉縞画像に基づいて被検面の表面形状が測定されるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の透明薄板測定用干渉計では、被検面に照射させる光の光路上に基準体が存在する。そして、光源からの光を２つの光束に分けていることから、干渉計光路中の基準体と被検面より、４つの反射光が生じる。このうち、干渉縞の創生には２つの光束しか用いないので、残りの２つの光束はノイズ光（フレア）となる。このように、特許文献１に記載の透明薄板測定用干渉計では、被検面に照射させる光の基準面における反射光によってフレアが発生し、干渉縞画像のコントラストが下がるという不都合がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、干渉縞画像および表面画像のコントラストの向上を図ることができる表面検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、低コヒーレント光源と、２光路で構成されるパスマッチ機構を持つフィゾー型干渉光学系と、撮像装置と、該撮像装置からの画像を処理して表示する画像処理装置からなる干渉縞計測装置を用いて、被検レンズの面精度測定および表面欠陥の検査を行う表面検査方法であって、前記被検レンズを前記干渉縞計測装置にセットしない状態で、前記フィゾー型干渉光学系の参照レンズの参照面からの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、前記被検レンズを前記フィゾー型干渉光学系にセットして、前記パスマッチ機構で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、前記第２の工程の状態から前記パスマッチ機構で２光路の干渉距離をわずかに相違させ前記干渉縞を消去した後、前記被検レンズ表面に前記撮像装置のピントを合わせ、前記被検レンズの表面画像を取得して記憶する第３の工程と、前記干渉縞画像の光量分布と前記表面画像の光量分布の各々から前記反射画像の光量分布を減算して、前記被検レンズの新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備える表面検査方法を提供する。
【０００７】
また、本発明は、被検体の表面に照射する照明光を発する光源と、該光源と前記被検体との間の光路上に配置され、該被検体と同一光軸を有し、照明光の一部を反射する参照面を有する参照部材と、前記光源から発せられ、前記参照面により反射された参照面反射光と、前記参照面を透過して前記被検体の表面により反射され、前記参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、該撮像素子により取得された前記画像を処理する画像処理部とを備え、該画像処理部が、前記参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部と、前記参照面反射光と前記被検面反射光から得られる第２の光量分布から、前記記憶部に記憶されている前記第１の光量分布を減算する演算部とを有する表面検査装置を提供する。
【０００８】
上記発明においては、前記照明光を２つに分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分割された一方の照明光と他方の照明光の光路長を調整する光路長調整機構とを備え、前記参照面反射光と前記被検面反射光との光路差が、前記光源の可干渉距離と同じになる第１状態と前記光源の可干渉距離よりも大きくなる第２状態とを有することとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明においては、合焦機構をさらに備え、前記第２状態になったときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引くこととしてもよい。
【００１０】
また、上記発明においては、合焦機構をさらに備え、前記光路長調整機構が、前記一方の照明光または前記他方の照明光の一方を遮断可能な遮断部材を備え、前記遮断部材により、前記検査光または前記参照光が遮断されたときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引くこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、干渉縞画像および表面画像のコントラストの向上を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る表面検査装置１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る表面検査装置１は、例えば、図１に示すような白色パスマッチフィゾー型の干渉計であり、レンズやレンズモールド型等（以下、単に「被検レンズ」という。）１０の、特に曲率半径が小さく半球レンズに近い球面の面精度と面外観を検査するものである。
【００１３】
この表面検査装置１は、光源部３、パスマッチ光学系部１８、光源リレー部７、干渉光学部２、ステージ６、撮像部１２および画像処理部１５を備えている。
【００１４】
光源部３は、低コヒーレント光源１７と、コリメータレンズ１４と、ポラライザ１６とを備えている。低コヒーレント光源１７としては、例えば、白色光源の一種であるＳＬＤ（スーパーレーザーダイオード）等がある。コリメータレンズ１４は、低コヒーレント光源１７から出射された光を平行光束にするようになっている。また、ポラライザ１６は、偏光ビームスプリッタ１３に対してＰ偏光となる光を出射するように配置されている。
【００１５】
光源部３の光出射側には、パスマッチ光学系部１８が配置されている。パスマッチ光学系部１８は、第１のミラーユニット２０と、第２のミラーユニット２１と、移動機構（光路長調整機構，図示略）とを備えている。
【００１６】
第１のミラーユニット２０は、ハーフミラー（ビームスプリッタ）ＨＭ１とハーフミラーＨＭ２とを備えている。ハーフミラーＨＭ１は、光源部３からの平行光束が進行する光路（光軸）中に固定され、平行光束を直進方向とこれに直交する方向とに進行する２つの光束に分割するようになっている。また、ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１で分割された２つの光束を合波するようになっている。
【００１７】
第２のミラーユニット２１は、２つのミラーＭ１，Ｍ２を備えている。ミラーＭ１はハーフミラーＨＭ１と対向する位置に配置され、ミラーＭ２はハーフミラーＨＭ２と対向する位置に配置されている。このような構成により、ハーフミラーＨＭ１により分割偏向された光束を迂回させて、ハーフミラーＨＭ２に戻すことができる。
なお、移動機構は、第２のミラーユニット２１を第１のミラーユニット２０に対して図１の矢印ｃに示す方向に移動させるものである。
【００１８】
このパスマッチ光学系部１８において、ハーフミラーＨＭ１を直進する光路を基本光路と称し、また、ハーフミラーＨＭ１で偏向して第２のミラーユニット２１で迂回する光路を調整光路と称する。そして、２つの光路長の差（２ｄ）を調整距離と称する。
【００１９】
パスマッチ光学系部１８の光出射側には、光源リレー部７が配置されている。光源リレー部７は、集光レンズ２２とピンホール２３とを備えている。集光レンズ２２は、パスマッチ光学系部１８における基本光路と調整光路とを通過して再び重ね合わせられた平行光束を集光するようになっている。ピンホール２３は、その集光点に配置されて光束を整えるようになっている。
【００２０】
光源リレー部７の光出射側には、干渉光学部２が配置されている。干渉光学部２は、偏光ビームスプリッタ１３と、λ／４板８と、コリメータレンズ９と、参照レンズ系１１を備えている。上述のように、低コヒーレント光源１７の光は、ポラライザ１６によってＰ偏光の光となっている。偏光ビームスプリッタ１３はＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する特性を有している。よって、光源リレー部７から出射された光は、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、λ／４板８で円偏光になってコリメータレンズ９に入射される。
【００２１】
コリメータレンズ９は、光源リレー部７のピンホール２３を通過してきた光束を、波面が整った平面の平行光束に変換するようになっている。この平行光束は、参照レンズ系１１に入射される。参照レンズ系１１から射出された光は、被検レンズ（被検体）１０の表面「（以下、「被検球面（被検面）という。」１０Ａに入射される。
【００２２】
参照レンズ系１１は、光軸方向に配列された複数のレンズ３３，３５，３７を含み、被検球面１０Ａに対向する最終面が参照面１１ＡとなっているＦｎｏ．０．６程度（開口角１２０°程度）のレンズ（参照レンズ（参照部材）３７）である。つまり、１２０°の収束参照光が被検レンズ１０に照射されると同時に参照面１１Ａでは４％程度の反射率で反射光（以下、「参照面反射光」という。）をλ／４板８側に送り返すようになっている。いわゆる干渉縞の参照光である。
【００２３】
この構成で、被検レンズ１０はＸＹ（紙面および光軸に直交する平面）方向およびＺ（光軸）方向に移動可能なステージ６に載置され、光軸に対する芯出しと参照面１１Ａの集光点への被検レンズ１０の曲率中心合致作業が行われ、照射される参照レンズ系１１からの光束を被検レンズ１０が持つ反射率で反射光（以下、「被検球面反射光」という。）を参照レンズ系１１に送り返すようになっている。いわゆる干渉縞の検査光である。
【００２４】
上記２つの反射光は、参照レンズ系１１およびコリメータレンズ９を通過して、λ／４板８に入射される。２つの反射光（円偏光）はまず、λ／４板８によって入射時とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）に変換され、偏光ビームスプリッタ１３に入射して、反射面１３ａによって直角に偏向されて撮像部１２に至るようになっている。
【００２５】
撮像部１２は、偏光ビームスプリッタ１３により導かれる参照面反射光および被検面反射光を集光する撮像光学系４７と、該撮像光学系４７により集光された被検面反射光を受光して画像を取得する撮像素子（図示略）を有する撮像装置（撮像部）４１とを有する。 撮像部１２からの情報は画像処理部１５に入力される。画像処理部１５は、撮像素子により取得された画像を処理する画像処理装置４３と、画像処理装置４３によって処理された画像等を表示するモニタ４５とを備えている。
【００２６】
撮像光学系４７は、該撮像光学系４７を構成するレンズ４７ｂを光軸方向に移動させて、干渉縞や被検レンズ１０にピントを合わせるようになっている。符号４７ａはピンホールである。
撮像装置４１としては、例えば、ＣＣＤカメラを用いることができる。
【００２７】
画像処理装置４３は、撮像素子により取得された参照面１１Ａの画像および被検球面１０Ａの画像や、参照面反射光の光量分布および被検面反射光の光量分布を記憶する記憶部４２と、参照面反射光の光量分布と被検面反射光の光量分布とに基づき演算処理を行う演算部４４とを備えている。
【００２８】
このように構成された本実施形態に係る表面検査装置１を用いた本実施形態に係る表面検査方法について以下に説明する。
本実施形態に係る表面検査方法は、被検レンズ１０をステージ６にセットしない状態で、参照レンズ系１１の参照面１１Ａからの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、被検レンズ１０をステージ６にセットして、パスマッチ光学系部１８で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、その状態からパスマッチ光学系部１８で２つの光路の干渉距離をわずかに相違させて干渉縞を消去した後、被検球面１０Ａに撮像素子のピントを合わせ、被検レンズ１０の表面画像を取得して記憶する第３の工程と、干渉縞画像の光量分布と表面画像の光量分布の各々から反射画像の光量分布を減算して、被検レンズ１０の新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備えている。
【００２９】
まず、第１の工程において参照面１１Ａからの基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光量分布像を取得する方法について説明する。
撮像光学系４７を図示しないピント合わせ光学系（ピンホール４７ａに換えて指標付摺りガラス、撮像光学系４７に換えて摺りガラス観察光学系）に切り替えると参照面１１Ａからの反射光が摺りガラス上にスポットを結ぶので、このスポットを摺りガラスの指標に合致させることで表面検査装置１の光軸に参照レンズ系１１の光軸を合致させることができる。
【００３０】
この状態でピント合わせ光学系を撮像光学系４７に切り替え、基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光量分布像（図５）を取得して記憶する。なお、基本光路と調整光路を通過する２つ光束の参照面反射光量分布像を個々に撮る場合は、図２に示すように、パスマッチ光学系部１８の２つの光路のそれぞれにシャッタ（遮蔽板）３１を挿入することで可能である。
【００３１】
ここで、調整光路と基本光路を通過してきた２つの光が、参照面１１Ａと被検球面１０Ａでそれぞれ反射して４つの反射光を作るが、干渉縞と表面欠陥像を作るために寄与する反射光は共にそのうちの２つであり、他の２つはノイズ光で画像上のフレアとなり画質を低下させる理由について図２を用いて説明する。
【００３２】
低コヒーレント光源１２による干渉は、低コヒーレント光源１２から参照面１１Ａまでの距離と低コヒーレント光源１２から被検球面１０Ａで反射して参照面１１Ａに至る距離とが一致した状態でしか発生しない。図２で、反射光Ｌ１〜Ｌ４はわかり易いように斜めに反射しているように記入している。反射光Ｌ１，Ｌ２は基本光路を通過してきた照明光の参照面１１Ａと被検球面１０Ａでの反射光であり、反射光Ｌ３，Ｌ４は調整光路を通過してきた照明光の参照面１１Ａと被検球面１０Ａでの反射光である。
【００３３】
参照面１１Ａを通過して被検球面１０Ａで反射された反射光Ｌ２，Ｌ４の光路長は、参照面１１Ａと被検球面１０Ａとの間の距離Ｌの２倍（２Ｌ）であることと、パスマッチ光学系部１８での基本光路と調整光路の光路長差は２ｄであることに注意して光路長の一致する反射光の組合せを探すと、調整光路を通過した参照面反射光Ｌ３と基本光路を通過した被検面反射光Ｌ２がＬ＝ｄのときに一致することがわかる。
【００３４】
この状態で干渉縞が創生されるので、干渉縞画像（図３）を撮像（光量分布）し、記憶部４２に記憶するのが第２の工程である。この画像上で干渉に関与しない反射光Ｌ１，Ｌ４はノイズ光となり画像上にフレアとして現れている。然るに、画像光量はＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４である。
【００３５】
このときのフレアの量は、調整光路と基本光路の光量と参照面１１Ａと被検球面１０Ａの反射率がほぼ同じであるとき、干渉縞を生成する光量とフレアの光量はほぼ等しくなる。一般的なカメラと比較すると甚大なフレアが発生しているといえる。
なお、波長７００ｎｍ程度の低コヒーレント光源１２からの照明光の可干渉距離は５０μｍ程度であり、干渉縞を創生するにはパスマッチ光学系部１８の２つの光路の光路長差はこの範囲に合致させ、この範囲内で干渉縞のコントラストが最も良い状態に調整する。
【００３６】
調整光路と基本光路の光量および参照面１１Ａと被検球面１０Ａの反射率がほぼ同じであるとする。実際の干渉計でも２つの干渉に関わる光の干渉が等しい程、コントラストの良い縞ができる。調整光路と基本光路の光量はほぼ等しく調整してあり、また、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａは、ガラスの磨き面のままで共に約４％の反射率であることが多い。
【００３７】
基本光路に例をとって試算すると、基本光路光量を１００として、まず参照面１１Ａで４％の反射なので参照面１１Ａからの干渉に関わる反射光Ｌ１の光量は４、被検球面１０Ａに向かう光量は９６、被検球面１０Ａでの反射率が４％とすると再び参照面１１Ａ側に戻る反射光Ｌ２の光量は９６×４％＝３．８４、この反射光Ｌ２が参照面１１Ａで４％の反射により光量減を強いられ参照レンズ系１１を通過する干渉にかかわる光量は３．８４×９６％＝３．６９となる。つまり、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａからの反射光量はほぼ等しい（Ｌ１＝Ｌ２）ことになる。この近似はフレア除去用であるので、精密な測定は必要なく十分使ってよい。
【００３８】
一方、調整光路についても同様な結果となり、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａからの反射光量はほぼ等しい（Ｌ３＝Ｌ４）ことになる。結果として、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４となる。
そこで、ノイズ光である反射光Ｌ１，Ｌ４の光量の和は、基本光路と調整光路の参照面反射光Ｌ１，Ｌ３の和と同じとして画像を取得して記憶すればよい。具体的には、干渉縞観察時の状態から被検球面１０Ａを取り除いて基本光路と調整光路の参照面反射光分布画像（図５）を撮像するのが第１の工程である。
【００３９】
もちろん、４つの反射光量を個々に測定することもできる。即ち、パスマッチ光学系部１８の片側の光路にシャッタを挿入したうえで、被検レンズ１０をセットしない状態で参照面反射光量を測定しておき、被検レンズ１０をセットして参照面反射光Ｌ１，Ｌ３および被検面反射光Ｌ２，Ｌ４の光量の和を測定する。この後、和から参照面反射光量を減算すれば、被検面反射光Ｌ２，Ｌ４の光量が測定できる。被検球面１０Ａの反射率が異なる場合などに使用すると効果がある。
【００４０】
次に、第２の工程において、干渉縞を創生する方法を説明する。
参照面反射光量分布像の取得後、被検球面１０Ａをステージ６に載せ、撮像装置４１の撮像光学系４７をピント合わせ光学系に切り替える。被検球面１０Ａの頂点からの反射光が摺りガラス上にスポットを結ぶので頂点像スポットを摺りガラスのターゲットに移動、合致させると被検球面１０Ａの頂点を表面検査装置１の光軸に合致させることができる。
【００４１】
被検球面１０Ａが凸球面であれば参照面１１Ａ側に、凹球面であれば参照面１１Ａから離れる方向に移動させる。このときの被検球面１０Ａの配置は図１のようになり、参照面１１Ａと被検球面１０Ａとの距離はＬである。よって、反射することを考慮すると光路差は２Ｌとなる。この距離２Ｌと等しい光路差をパスマッチ光学系部１８の移動装置により第２のミラーユニット２１を移動して、基本光路と調整光路の光路差が２Ｌとなったときに、干渉縞が観察できることになる。
【００４２】
基本光路と調整光路の光路差は図１から２ｄである。即ち、Ｌ＝ｄのとき干渉縞が創生できる。そして、この状態で撮像装置４１の摺りガラス観察光学系を元の撮像光学系４７に切り替え、干渉縞を直線状に調整して像周辺に縞の歪みがなくなった状態で干渉縞像（図５）を撮像し記憶する。
【００４３】
このとき、基本光路と調整光路に遮蔽板を交互に挿入して、各光路を通る個別の参照面１１Ａと被検球面１０Ａからの和の反射光量分布画像を取得し、前述の個々に取得した基本光路と調整光路を通過する２つ光束個々の参照面反射光量分布像を減算すれば、基本光路と調整光路を通過する２つ光束個々の被検球面１０Ａからのみの光量分布像を得ることができる。したがって、４つの反射光量分布を記憶して使用してもよい。つまり、図２の調整光路を通過する光の被検球面反射光Ｌ４を精密に測定でき、この値を用いることにより被検面反射率が異なる場合など干渉縞像のコントラストを向上することができる。
【００４４】
また、この時点で被検球面１０Ａを表面検査装置１から取り除き、基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光の光量分布画像を取得して記憶して使用してもよい。
【００４５】
その後、画像処理装置４３内の記憶部４２に既に記憶してある干渉縞画像から参照面反射光のみの光量分布画像を減算してモニタ４５に表示すると、図８に示すようなフレアのないコントラストの良い干渉縞が創生される。同一の被検球面１０Ａを検査する場合は保存してある光量分布画像を使えば都度参照面反射光量分布画像を撮る必要はなくなる。
【００４６】
次に、第３の工程において表面欠陥画像を取得する方法を説明する。
上記の干渉縞を創生する状態で、調整光路距離を０．２ｍｍ程度ずらすと可干渉範囲から２つの光路距離差が外れるので干渉縞は消滅する。この状態で、縞撮像光学系のピントを被検球面１０Ａに合わせると被検球面１０Ａの表面欠陥画像を撮像して記憶する。これは２つの光束が被検球面１０Ａで反射した被検球面１０Ａの表面画像に２つの光束が参照面１１Ａで反射した反射光量分布像がフレアとなって重なったものである。
【００４７】
ここで、被検球面の表面欠陥画像が得られる理由を図１０に示す。図１０は光源部１７やパスマッチ光学系部１８等の記載を省略している。光源部１７からの照明光が参照レンズ系１１を経て被検球面１０Ａに照射されたとき被検球面１０Ａにキズがあると、このキズによって散乱光や回折光が発生して参照レンズ系１１側に向かう。
【００４８】
そして、コリメータレンズ９の焦点位置（絞り位置）に瞳を作ると同時にキズの像を被検球面１０Ａの参照レンズ系１１位置との距離に応じた位置Ｄに作る。ピント合わせレンズを光軸に沿って移動することで、このキズの２次像を撮像装置４１の撮像面上に作る。
【００４９】
このとき、撮像装置４１の撮像面上の視野の大きさは、参照レンズ系１１の被検球面１０Ａ照射角（図１０では１２０°）に対する被検球面１０Ａの球面角に依存し、曲率半径の大小に関係しない。例えば、被検球面１０Ａの角度が８０°であれば被検球面１０Ａの曲率半径が２ｍｍであっても１０ｍｍであっても撮像面上の像は最大径の８０％である。
【００５０】
よって、像の倍率からすると、被検球面１０Ａの曲率半径が小さいほど倍率が高くなる。実際の観察では、曲率半径２ｍｍの被検球面１０Ａ上の５μｍのキズを観察できる。なお、１２０°を超える場合は、１２０°を超える部分の観察は当然できない。
【００５１】
本実施形態に係る表面観察方法において、曲率半径の小さい被検球面１０Ａの検査に適しているという理由はこのような事情による。しかし、レンズ設計製造においては半球に近いレンズは曲率半径が５ｍｍ以下の場合が多く、また、表面欠陥検出が困難なのは小さな曲率半径のレンズであり、用途は多い。
【００５２】
この場合においても、表面欠陥検出画像に寄与する光はパスマッチ光学系部１８の基本光路と調整光路の被検球面１０Ａからの反射光Ｌ２，Ｌ４である。残りの基本光路と調整光路の参照面１１Ａからの反射光Ｌ１，Ｌ３はフレアとなって表面欠陥検出画像のコントラストを大きく低減する。このときのフレアに寄与する光量は干渉縞画像の場合と同じく表面欠陥検出画像に寄与する光量とほぼ等しく、甚大なフレアが発生している。
【００５３】
次に、第４の工程において、コントラストの良い干渉縞画像および表面欠陥画像の取得について述べる。
第４の工程は、第２の工程において記憶した干渉縞画像と第３の工程において記憶した表面欠陥画像の光量分布から、第１の工程において記憶した画像の光量分布を減算してモニタ４５に表示する工程である。
【００５４】
図６は画像間の光量分布の減算の過程をわかり易くするために、符号ａは図５の横断面光量分布を示すグラフ、符号ｂは図３の横断面光量分布を示すグラフであり、これらの減算を行った結果が図８である。これによれば、フレアが抜けてコントラストの良い画像が得られていることがわかる。
【００５５】
同様に、図７で、符号ａは図５の横断面光量分布を示すグラフ、符号ｃは図４の横断面光量分布を示すグラフであり、これらの減算を行った結果が図９である。同様にフレアが抜けてコントラストの良い画像が得られていることがわかる。
【００５６】
このように、本実施形態に係る表面検査装置１および表面検査方法によれば、調整光路を通過してきた光の低コヒーレント光源１７から参照面１１Ａまでの距離と基本光路を通過してきた光の低コヒーレント光源１７から被検球面１０Ａまでの距離が一致したとき干渉縞を創生でき、撮像光学系４７を含む撮像装置４１において干渉縞画像が取得される。この干渉縞画像の干渉パターンを観察することにより被検球面１０Ａの形状、つまり、球面の面精度を測定することができる。
また、調整光路を通過してきた光の参照面１１Ａまでの距離と基本光路を通過してきた光の被検球面１０Ａまでの距離が一致しないとき、撮像光学系４７を含む撮像装置４１において表面欠陥画像が取得される。この表面欠陥画像から被検球面１０Ａの表面の欠陥の有無や大きさを検査することができる。
【００５７】
また、本実施形態に係る表面検査装置１によれば、極度な精度を要求しない干渉光学系を用いた安価で測定精度が高くかつ振動にも強く、かつ検査可能被検球面の曲率半径の制限を緩和するほか被検球面１０Ａの検査領域を大きくすることができるという利点がある。
【００５８】
なお、本実施形態においては、パスマッチ光学系部１８は図１の形式のものに限定されるものではなく、例えば、米国特許第４８７２７５５号明細書に記載されているような各種のパスマッチ光学系を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面検査装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の表面検査装置における参照光および検査光の参照面または被検面で生じる４つの反射光を示す図である。
【図３】ノイズを低減する前の干渉縞画像を示す図である。
【図４】ノイズを低減する前の被検面の表面画像を示す図である。
【図５】参照レンズの参照面の反射像を示す図である。
【図６】図２の反射面の光量分布と図３の干渉縞画像の光量分布を示す図である。
【図７】図２の反射面の光量分布と図４の表面画像の光量分布を示す図である。
【図８】図３のノイズを低減した後の干渉縞画像を示す図である。
【図９】図４のノイズを低減した後の表面画像を示す図である。
【図１０】図１の表面検査装置における被検球面に照明光が照射される様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 表面検査装置
３ 光源部
１０ 被検レンズ（被検体）
１０Ａ 被検面（表面）
１１ 参照レンズ系
１１Ａ 参照面
１２ 撮像部
１５ 画像処理部
１７ 低コヒーレント光源
１８ パスマッチ光学系部
ＨＭ１ ハーフミラー（ビームスプリッタ）
３１ シャッタ（遮蔽板）
３７ 参照レンズ（参照部材）
４２ 記憶部
４３ 画像処理装置（画像処理部）
４４ 演算部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査方法および表面検査装置に関するものである。特に、曲率半径が小さく、かつ半球に近いレンズ面の面精度および表面欠陥を検査する表面検査方法および表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学部品等の表面形状を観察するための手段として、パスマッチ機構を持つフィゾー型干渉計を用いた表面検査装置が知られている（特許文献１参照）。
特許文献１に記載されている透明薄板測定用干渉計によれば、光源から出力された光のうち、基準体の基準面によって反射される反射光と、この基準面を透過して透明薄板の被検面によって反射される反射光とを干渉させ、ＣＣＤ素子に形成される干渉縞画像に基づいて被検面の表面形状が測定されるようになっている。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２１６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の透明薄板測定用干渉計では、被検面に照射させる光の光路上に基準体が存在する。そして、光源からの光を２つの光束に分けていることから、干渉計光路中の基準体と被検面より、４つの反射光が生じる。このうち、干渉縞の創生には２つの光束しか用いないので、残りの２つの光束はノイズ光（フレア）となる。このように、特許文献１に記載の透明薄板測定用干渉計では、被検面に照射させる光の基準面における反射光によってフレアが発生し、干渉縞画像のコントラストが下がるという不都合がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、干渉縞画像および表面画像のコントラストの向上を図ることができる表面検査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、低コヒーレント光源と、２光路で構成されるパスマッチ機構を持つフィゾー型干渉光学系と、撮像装置と、該撮像装置からの画像を処理して表示する画像処理装置からなる干渉縞計測装置を用いて、被検レンズの面精度測定および表面欠陥の検査を行う表面検査方法であって、前記被検レンズを前記干渉縞計測装置にセットしない状態で、前記フィゾー型干渉光学系の参照レンズの参照面からの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、前記被検レンズを前記フィゾー型干渉光学系にセットして、前記パスマッチ機構で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、前記第２の工程の状態から前記パスマッチ機構で２光路の干渉距離をわずかに相違させ前記干渉縞を消去した後、前記被検レンズ表面に前記撮像装置のピントを合わせ、前記被検レンズの表面画像を取得して記憶する第３の工程と、前記干渉縞画像の光量分布と前記表面画像の光量分布の各々から前記反射画像の光量分布を減算して、前記被検レンズの新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備える表面検査方法を提供する。
【０００７】
また、本発明は、被検体の表面に照射する照明光を発する光源と、該光源と前記被検体との間の光路上に配置され、該被検体と同一光軸を有し、照明光の一部を反射する参照面を有する参照部材と、前記光源から発せられ、前記参照面により反射された参照面反射光と、前記参照面を透過して前記被検体の表面により反射され、前記参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、該撮像素子により取得された前記画像を処理する画像処理部とを備え、該画像処理部が、前記参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部と、前記参照面反射光と前記被検面反射光から得られる第２の光量分布から、前記記憶部に記憶されている前記第１の光量分布を減算する演算部とを有する表面検査装置を提供する。
【０００８】
上記発明においては、前記照明光を２つに分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分割された一方の照明光と他方の照明光の光路長を調整する光路長調整機構とを備え、前記参照面反射光と前記被検面反射光との光路差が、前記光源の可干渉距離と同じになる第１状態と前記光源の可干渉距離よりも大きくなる第２状態とを有することとしてもよい。
【０００９】
また、上記発明においては、合焦機構をさらに備え、前記第２状態になったときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引くこととしてもよい。
【００１０】
また、上記発明においては、合焦機構をさらに備え、前記光路長調整機構が、前記一方の照明光または前記他方の照明光の一方を遮断可能な遮断部材を備え、前記遮断部材により、前記検査光または前記参照光が遮断されたときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引くこととしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、干渉縞画像および表面画像のコントラストの向上を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る表面検査装置１について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る表面検査装置１は、例えば、図１に示すような白色パスマッチフィゾー型の干渉計であり、レンズやレンズモールド型等（以下、単に「被検レンズ」という。）１０の、特に曲率半径が小さく半球レンズに近い球面の面精度と面外観を検査するものである。
【００１３】
この表面検査装置１は、光源部３、パスマッチ光学系部１８、光源リレー部７、干渉光学部２、ステージ６、撮像部１２および画像処理部１５を備えている。
【００１４】
光源部３は、低コヒーレント光源１７と、コリメータレンズ１４と、ポラライザ１６とを備えている。低コヒーレント光源１７としては、例えば、白色光源の一種であるＳＬＤ（スーパーレーザーダイオード）等がある。コリメータレンズ１４は、低コヒーレント光源１７から出射された光を平行光束にするようになっている。また、ポラライザ１６は、偏光ビームスプリッタ１３に対してＰ偏光となる光を出射するように配置されている。
【００１５】
光源部３の光出射側には、パスマッチ光学系部１８が配置されている。パスマッチ光学系部１８は、第１のミラーユニット２０と、第２のミラーユニット２１と、移動機構（光路長調整機構，図示略）とを備えている。
【００１６】
第１のミラーユニット２０は、ハーフミラー（ビームスプリッタ）ＨＭ１とハーフミラーＨＭ２とを備えている。ハーフミラーＨＭ１は、光源部３からの平行光束が進行する光路（光軸）中に固定され、平行光束を直進方向とこれに直交する方向とに進行する２つの光束に分割するようになっている。また、ハーフミラーＨＭ２は、ハーフミラーＨＭ１で分割された２つの光束を合波するようになっている。
【００１７】
第２のミラーユニット２１は、２つのミラーＭ１，Ｍ２を備えている。ミラーＭ１はハーフミラーＨＭ１と対向する位置に配置され、ミラーＭ２はハーフミラーＨＭ２と対向する位置に配置されている。このような構成により、ハーフミラーＨＭ１により分割偏向された光束を迂回させて、ハーフミラーＨＭ２に戻すことができる。
なお、移動機構は、第２のミラーユニット２１を第１のミラーユニット２０に対して図１の矢印ｃに示す方向に移動させるものである。
【００１８】
このパスマッチ光学系部１８において、ハーフミラーＨＭ１を直進する光路を基本光路と称し、また、ハーフミラーＨＭ１で偏向して第２のミラーユニット２１で迂回する光路を調整光路と称する。そして、２つの光路長の差（２ｄ）を調整距離と称する。
【００１９】
パスマッチ光学系部１８の光出射側には、光源リレー部７が配置されている。光源リレー部７は、集光レンズ２２とピンホール２３とを備えている。集光レンズ２２は、パスマッチ光学系部１８における基本光路と調整光路とを通過して再び重ね合わせられた平行光束を集光するようになっている。ピンホール２３は、その集光点に配置されて光束を整えるようになっている。
【００２０】
光源リレー部７の光出射側には、干渉光学部２が配置されている。干渉光学部２は、偏光ビームスプリッタ１３と、λ／４板８と、コリメータレンズ９と、参照レンズ系１１を備えている。上述のように、低コヒーレント光源１７の光は、ポラライザ１６によってＰ偏光の光となっている。偏光ビームスプリッタ１３はＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する特性を有している。よって、光源リレー部７から出射された光は、偏光ビームスプリッタ１３を透過し、λ／４板８で円偏光になってコリメータレンズ９に入射される。
【００２１】
コリメータレンズ９は、光源リレー部７のピンホール２３を通過してきた光束を、波面が整った平面の平行光束に変換するようになっている。この平行光束は、参照レンズ系１１に入射される。参照レンズ系１１から射出された光は、被検レンズ（被検体）１０の表面「（以下、「被検球面（被検面）という。」１０Ａに入射される。
【００２２】
参照レンズ系１１は、光軸方向に配列された複数のレンズ３３，３５，３７を含み、被検球面１０Ａに対向する最終面が参照面１１ＡとなっているＦｎｏ．０．６程度（開口角１２０°程度）のレンズ（参照レンズ（参照部材）３７）である。つまり、１２０°の収束参照光が被検レンズ１０に照射されると同時に参照面１１Ａでは４％程度の反射率で反射光（以下、「参照面反射光」という。）をλ／４板８側に送り返すようになっている。いわゆる干渉縞の参照光である。
【００２３】
この構成で、被検レンズ１０はＸＹ（紙面および光軸に直交する平面）方向およびＺ（光軸）方向に移動可能なステージ６に載置され、光軸に対する芯出しと参照面１１Ａの集光点への被検レンズ１０の曲率中心合致作業が行われ、照射される参照レンズ系１１からの光束を被検レンズ１０が持つ反射率で反射光（以下、「被検球面反射光」という。）を参照レンズ系１１に送り返すようになっている。いわゆる干渉縞の検査光である。
【００２４】
上記２つの反射光は、参照レンズ系１１およびコリメータレンズ９を通過して、λ／４板８に入射される。２つの反射光（円偏光）はまず、λ／４板８によって入射時とは直交する直線偏光（Ｓ偏光）に変換され、偏光ビームスプリッタ１３に入射して、反射面１３ａによって直角に偏向されて撮像部１２に至るようになっている。
【００２５】
撮像部１２は、偏光ビームスプリッタ１３により導かれる参照面反射光および被検面反射光を集光する撮像光学系４７と、該撮像光学系４７により集光された被検面反射光を受光して画像を取得する撮像素子（図示略）を有する撮像装置（撮像部）４１とを有する。 撮像部１２からの情報は画像処理部１５に入力される。画像処理部１５は、撮像素子により取得された画像を処理する画像処理装置４３と、画像処理装置４３によって処理された画像等を表示するモニタ４５とを備えている。
【００２６】
撮像光学系４７は、該撮像光学系４７を構成するレンズ４７ｂを光軸方向に移動させて、干渉縞や被検レンズ１０にピントを合わせるようになっている。符号４７ａはピンホールである。
撮像装置４１としては、例えば、ＣＣＤカメラを用いることができる。
【００２７】
画像処理装置４３は、撮像素子により取得された参照面１１Ａの画像および被検球面１０Ａの画像や、参照面反射光の光量分布および被検面反射光の光量分布を記憶する記憶部４２と、参照面反射光の光量分布と被検面反射光の光量分布とに基づき演算処理を行う演算部４４とを備えている。
【００２８】
このように構成された本実施形態に係る表面検査装置１を用いた本実施形態に係る表面検査方法について以下に説明する。
本実施形態に係る表面検査方法は、被検レンズ１０をステージ６にセットしない状態で、参照レンズ系１１の参照面１１Ａからの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、被検レンズ１０をステージ６にセットして、パスマッチ光学系部１８で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、その状態からパスマッチ光学系部１８で２つの光路の干渉距離をわずかに相違させて干渉縞を消去した後、被検球面１０Ａに撮像素子のピントを合わせ、被検レンズ１０の表面画像を取得して記憶する第３の工程と、干渉縞画像の光量分布と表面画像の光量分布の各々から反射画像の光量分布を減算して、被検レンズ１０の新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備えている。
【００２９】
まず、第１の工程において参照面１１Ａからの基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光量分布像を取得する方法について説明する。
撮像光学系４７を図示しないピント合わせ光学系（ピンホール４７ａに換えて指標付摺りガラス、撮像光学系４７に換えて摺りガラス観察光学系）に切り替えると参照面１１Ａからの反射光が摺りガラス上にスポットを結ぶので、このスポットを摺りガラスの指標に合致させることで表面検査装置１の光軸に参照レンズ系１１の光軸を合致させることができる。
【００３０】
この状態でピント合わせ光学系を撮像光学系４７に切り替え、基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光量分布像（図５）を取得して記憶する。なお、基本光路と調整光路を通過する２つ光束の参照面反射光量分布像を個々に撮る場合は、図２に示すように、パスマッチ光学系部１８の２つの光路のそれぞれにシャッタ（遮蔽板）３１を挿入することで可能である。
【００３１】
ここで、調整光路と基本光路を通過してきた２つの光が、参照面１１Ａと被検球面１０Ａでそれぞれ反射して４つの反射光を作るが、干渉縞と表面欠陥像を作るために寄与する反射光は共にそのうちの２つであり、他の２つはノイズ光で画像上のフレアとなり画質を低下させる理由について図２を用いて説明する。
【００３２】
低コヒーレント光源１２による干渉は、低コヒーレント光源１２から参照面１１Ａまでの距離と低コヒーレント光源１２から被検球面１０Ａで反射して参照面１１Ａに至る距離とが一致した状態でしか発生しない。図２で、反射光Ｌ１〜Ｌ４はわかり易いように斜めに反射しているように記入している。反射光Ｌ１，Ｌ２は基本光路を通過してきた照明光の参照面１１Ａと被検球面１０Ａでの反射光であり、反射光Ｌ３，Ｌ４は調整光路を通過してきた照明光の参照面１１Ａと被検球面１０Ａでの反射光である。
【００３３】
参照面１１Ａを通過して被検球面１０Ａで反射された反射光Ｌ２，Ｌ４の光路長は、参照面１１Ａと被検球面１０Ａとの間の距離Ｌの２倍（２Ｌ）であることと、パスマッチ光学系部１８での基本光路と調整光路の光路長差は２ｄであることに注意して光路長の一致する反射光の組合せを探すと、調整光路を通過した参照面反射光Ｌ３と基本光路を通過した被検面反射光Ｌ２がＬ＝ｄのときに一致することがわかる。
【００３４】
この状態で干渉縞が創生されるので、干渉縞画像（図３）を撮像（光量分布）し、記憶部４２に記憶するのが第２の工程である。この画像上で干渉に関与しない反射光Ｌ１，Ｌ４はノイズ光となり画像上にフレアとして現れている。然るに、画像光量はＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４である。
【００３５】
このときのフレアの量は、調整光路と基本光路の光量と参照面１１Ａと被検球面１０Ａの反射率がほぼ同じであるとき、干渉縞を生成する光量とフレアの光量はほぼ等しくなる。一般的なカメラと比較すると甚大なフレアが発生しているといえる。
なお、波長７００ｎｍ程度の低コヒーレント光源１２からの照明光の可干渉距離は５０μｍ程度であり、干渉縞を創生するにはパスマッチ光学系部１８の２つの光路の光路長差はこの範囲に合致させ、この範囲内で干渉縞のコントラストが最も良い状態に調整する。
【００３６】
調整光路と基本光路の光量および参照面１１Ａと被検球面１０Ａの反射率がほぼ同じであるとする。実際の干渉計でも２つの干渉に関わる光の干渉が等しい程、コントラストの良い縞ができる。調整光路と基本光路の光量はほぼ等しく調整してあり、また、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａは、ガラスの磨き面のままで共に約４％の反射率であることが多い。
【００３７】
基本光路に例をとって試算すると、基本光路光量を１００として、まず参照面１１Ａで４％の反射なので参照面１１Ａからの干渉に関わる反射光Ｌ１の光量は４、被検球面１０Ａに向かう光量は９６、被検球面１０Ａでの反射率が４％とすると再び参照面１１Ａ側に戻る反射光Ｌ２の光量は９６×４％＝３．８４、この反射光Ｌ２が参照面１１Ａで４％の反射により光量減を強いられ参照レンズ系１１を通過する干渉にかかわる光量は３．８４×９６％＝３．６９となる。つまり、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａからの反射光量はほぼ等しい（Ｌ１＝Ｌ２）ことになる。この近似はフレア除去用であるので、精密な測定は必要なく十分使ってよい。
【００３８】
一方、調整光路についても同様な結果となり、参照面１１Ａおよび被検球面１０Ａからの反射光量はほぼ等しい（Ｌ３＝Ｌ４）ことになる。結果として、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝Ｌ４となる。
そこで、ノイズ光である反射光Ｌ１，Ｌ４の光量の和は、基本光路と調整光路の参照面反射光Ｌ１，Ｌ３の和と同じとして画像を取得して記憶すればよい。具体的には、干渉縞観察時の状態から被検球面１０Ａを取り除いて基本光路と調整光路の参照面反射光分布画像（図５）を撮像するのが第１の工程である。
【００３９】
もちろん、４つの反射光量を個々に測定することもできる。即ち、パスマッチ光学系部１８の片側の光路にシャッタを挿入したうえで、被検レンズ１０をセットしない状態で参照面反射光量を測定しておき、被検レンズ１０をセットして参照面反射光Ｌ１，Ｌ３および被検面反射光Ｌ２，Ｌ４の光量の和を測定する。この後、和から参照面反射光量を減算すれば、被検面反射光Ｌ２，Ｌ４の光量が測定できる。被検球面１０Ａの反射率が異なる場合などに使用すると効果がある。
【００４０】
次に、第２の工程において、干渉縞を創生する方法を説明する。
参照面反射光量分布像の取得後、被検球面１０Ａをステージ６に載せ、撮像装置４１の撮像光学系４７をピント合わせ光学系に切り替える。被検球面１０Ａの頂点からの反射光が摺りガラス上にスポットを結ぶので頂点像スポットを摺りガラスのターゲットに移動、合致させると被検球面１０Ａの頂点を表面検査装置１の光軸に合致させることができる。
【００４１】
被検球面１０Ａが凸球面であれば参照面１１Ａ側に、凹球面であれば参照面１１Ａから離れる方向に移動させる。このときの被検球面１０Ａの配置は図１のようになり、参照面１１Ａと被検球面１０Ａとの距離はＬである。よって、反射することを考慮すると光路差は２Ｌとなる。この距離２Ｌと等しい光路差をパスマッチ光学系部１８の移動装置により第２のミラーユニット２１を移動して、基本光路と調整光路の光路差が２Ｌとなったときに、干渉縞が観察できることになる。
【００４２】
基本光路と調整光路の光路差は図１から２ｄである。即ち、Ｌ＝ｄのとき干渉縞が創生できる。そして、この状態で撮像装置４１の摺りガラス観察光学系を元の撮像光学系４７に切り替え、干渉縞を直線状に調整して像周辺に縞の歪みがなくなった状態で干渉縞像（図５）を撮像し記憶する。
【００４３】
このとき、基本光路と調整光路に遮蔽板を交互に挿入して、各光路を通る個別の参照面１１Ａと被検球面１０Ａからの和の反射光量分布画像を取得し、前述の個々に取得した基本光路と調整光路を通過する２つ光束個々の参照面反射光量分布像を減算すれば、基本光路と調整光路を通過する２つ光束個々の被検球面１０Ａからのみの光量分布像を得ることができる。したがって、４つの反射光量分布を記憶して使用してもよい。つまり、図２の調整光路を通過する光の被検球面反射光Ｌ４を精密に測定でき、この値を用いることにより被検面反射率が異なる場合など干渉縞像のコントラストを向上することができる。
【００４４】
また、この時点で被検球面１０Ａを表面検査装置１から取り除き、基本光路と調整光路を通過する２つの光束の和の参照面反射光の光量分布画像を取得して記憶して使用してもよい。
【００４５】
その後、画像処理装置４３内の記憶部４２に既に記憶してある干渉縞画像から参照面反射光のみの光量分布画像を減算してモニタ４５に表示すると、図８に示すようなフレアのないコントラストの良い干渉縞が創生される。同一の被検球面１０Ａを検査する場合は保存してある光量分布画像を使えば都度参照面反射光量分布画像を撮る必要はなくなる。
【００４６】
次に、第３の工程において表面欠陥画像を取得する方法を説明する。
上記の干渉縞を創生する状態で、調整光路距離を０．２ｍｍ程度ずらすと可干渉範囲から２つの光路距離差が外れるので干渉縞は消滅する。この状態で、縞撮像光学系のピントを被検球面１０Ａに合わせると被検球面１０Ａの表面欠陥画像を撮像して記憶する。これは２つの光束が被検球面１０Ａで反射した被検球面１０Ａの表面画像に２つの光束が参照面１１Ａで反射した反射光量分布像がフレアとなって重なったものである。
【００４７】
ここで、被検球面の表面欠陥画像が得られる理由を図１０に示す。図１０は光源部１７やパスマッチ光学系部１８等の記載を省略している。光源部１７からの照明光が参照レンズ系１１を経て被検球面１０Ａに照射されたとき被検球面１０Ａにキズがあると、このキズによって散乱光や回折光が発生して参照レンズ系１１側に向かう。
【００４８】
そして、コリメータレンズ９の焦点位置（絞り位置）に瞳を作ると同時にキズの像を被検球面１０Ａの参照レンズ系１１位置との距離に応じた位置Ｄに作る。ピント合わせレンズを光軸に沿って移動することで、このキズの２次像を撮像装置４１の撮像面上に作る。
【００４９】
このとき、撮像装置４１の撮像面上の視野の大きさは、参照レンズ系１１の被検球面１０Ａ照射角（図１０では１２０°）に対する被検球面１０Ａの球面角に依存し、曲率半径の大小に関係しない。例えば、被検球面１０Ａの角度が８０°であれば被検球面１０Ａの曲率半径が２ｍｍであっても１０ｍｍであっても撮像面上の像は最大径の８０％である。
【００５０】
よって、像の倍率からすると、被検球面１０Ａの曲率半径が小さいほど倍率が高くなる。実際の観察では、曲率半径２ｍｍの被検球面１０Ａ上の５μｍのキズを観察できる。なお、１２０°を超える場合は、１２０°を超える部分の観察は当然できない。
【００５１】
本実施形態に係る表面観察方法において、曲率半径の小さい被検球面１０Ａの検査に適しているという理由はこのような事情による。しかし、レンズ設計製造においては半球に近いレンズは曲率半径が５ｍｍ以下の場合が多く、また、表面欠陥検出が困難なのは小さな曲率半径のレンズであり、用途は多い。
【００５２】
この場合においても、表面欠陥検出画像に寄与する光はパスマッチ光学系部１８の基本光路と調整光路の被検球面１０Ａからの反射光Ｌ２，Ｌ４である。残りの基本光路と調整光路の参照面１１Ａからの反射光Ｌ１，Ｌ３はフレアとなって表面欠陥検出画像のコントラストを大きく低減する。このときのフレアに寄与する光量は干渉縞画像の場合と同じく表面欠陥検出画像に寄与する光量とほぼ等しく、甚大なフレアが発生している。
【００５３】
次に、第４の工程において、コントラストの良い干渉縞画像および表面欠陥画像の取得について述べる。
第４の工程は、第２の工程において記憶した干渉縞画像と第３の工程において記憶した表面欠陥画像の光量分布から、第１の工程において記憶した画像の光量分布を減算してモニタ４５に表示する工程である。
【００５４】
図６は画像間の光量分布の減算の過程をわかり易くするために、符号ａは図５の横断面光量分布を示すグラフ、符号ｂは図３の横断面光量分布を示すグラフであり、これらの減算を行った結果が図８である。これによれば、フレアが抜けてコントラストの良い画像が得られていることがわかる。
【００５５】
同様に、図７で、符号ａは図５の横断面光量分布を示すグラフ、符号ｃは図４の横断面光量分布を示すグラフであり、これらの減算を行った結果が図９である。同様にフレアが抜けてコントラストの良い画像が得られていることがわかる。
【００５６】
このように、本実施形態に係る表面検査装置１および表面検査方法によれば、調整光路を通過してきた光の低コヒーレント光源１７から参照面１１Ａまでの距離と基本光路を通過してきた光の低コヒーレント光源１７から被検球面１０Ａまでの距離が一致したとき干渉縞を創生でき、撮像光学系４７を含む撮像装置４１において干渉縞画像が取得される。この干渉縞画像の干渉パターンを観察することにより被検球面１０Ａの形状、つまり、球面の面精度を測定することができる。
また、調整光路を通過してきた光の参照面１１Ａまでの距離と基本光路を通過してきた光の被検球面１０Ａまでの距離が一致しないとき、撮像光学系４７を含む撮像装置４１において表面欠陥画像が取得される。この表面欠陥画像から被検球面１０Ａの表面の欠陥の有無や大きさを検査することができる。
【００５７】
また、本実施形態に係る表面検査装置１によれば、極度な精度を要求しない干渉光学系を用いた安価で測定精度が高くかつ振動にも強く、かつ検査可能被検球面の曲率半径の制限を緩和するほか被検球面１０Ａの検査領域を大きくすることができるという利点がある。
【００５８】
なお、本実施形態においては、パスマッチ光学系部１８は図１の形式のものに限定されるものではなく、例えば、米国特許第４８７２７５５号明細書に記載されているような各種のパスマッチ光学系を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面検査装置を示す概略構成図である。
【図２】図１の表面検査装置における参照光および検査光の参照面または被検面で生じる４つの反射光を示す図である。
【図３】ノイズを低減する前の干渉縞画像を示す図である。
【図４】ノイズを低減する前の被検面の表面画像を示す図である。
【図５】参照レンズの参照面の反射像を示す図である。
【図６】図２の反射面の光量分布と図３の干渉縞画像の光量分布を示す図である。
【図７】図２の反射面の光量分布と図４の表面画像の光量分布を示す図である。
【図８】図３のノイズを低減した後の干渉縞画像を示す図である。
【図９】図４のノイズを低減した後の表面画像を示す図である。
【図１０】図１の表面検査装置における被検球面に照明光が照射される様子を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１ 表面検査装置
３ 光源部
１０ 被検レンズ（被検体）
１０Ａ 被検面（表面）
１１ 参照レンズ系
１１Ａ 参照面
１２ 撮像部
１５ 画像処理部
１７ 低コヒーレント光源
１８ パスマッチ光学系部
ＨＭ１ ハーフミラー（ビームスプリッタ）
３１ シャッタ（遮蔽板）
３７ 参照レンズ（参照部材）
４２ 記憶部
４３ 画像処理装置（画像処理部）
４４ 演算部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コヒーレント光源と、２光路で構成されるパスマッチ機構を持つフィゾー型干渉光学系と、撮像装置と、該撮像装置からの画像を処理して表示する画像処理装置からなる干渉縞計測装置を用いて、被検レンズの面精度測定および表面欠陥の検査を行う表面検査方法であって、
前記被検レンズを前記干渉縞計測装置にセットしない状態で、前記フィゾー型干渉光学系の参照レンズの参照面からの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、
前記被検レンズを前記フィゾー型干渉光学系にセットして、前記パスマッチ機構で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、
前記第２の工程の状態から前記パスマッチ機構で２光路の干渉距離をわずかに相違させ前記干渉縞を消去した後、前記被検レンズ表面に前記撮像装置のピントを合わせ、前記被検レンズの表面画像を取得して記憶する第３の工程と、
前記干渉縞画像の光量分布と前記表面画像の光量分布の各々から前記反射画像の光量分布を減算して、前記被検レンズの新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備える表面検査方法。
【請求項２】
被検体の表面に照射する照明光を発する光源と、
該光源と前記被検体との間の光路上に配置され、該被検体と同一光軸を有し、照明光の一部を反射する参照面を有する参照部材と、
前記光源から発せられ、前記参照面により反射された参照面反射光と、前記参照面を透過して前記被検体の表面により反射され、前記参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、
該撮像素子により取得された前記画像を処理する画像処理部とを備え、
該画像処理部が、前記参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部と、前記参照面反射光と前記被検面反射光から得られる第２の光量分布から、前記記憶部に記憶されている前記第１の光量分布を減算する演算部とを有する表面検査装置。
【請求項３】
前記照明光を２つに分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分割された一方の照明光と他方の照明光の光路長を調整する光路長調整機構とを備え、
前記参照面反射光と前記被検面反射光との光路差が、前記光源の可干渉距離と同じになる第１状態と前記光源の可干渉距離よりも大きくなる第２状態とを有する請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
合焦機構をさらに備え、
前記第２状態になったときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、
前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引く請求項３に記載の表面検査装置。
【請求項５】
合焦機構をさらに備え、
前記光路長調整機構が、前記一方の照明光または前記他方の照明光の一方を遮断可能な遮断部材を備え、
前記遮断部材により、前記検査光または前記参照光が遮断されたときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、
前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引く請求項３に記載の表面検査装置。
【請求項１】
低コヒーレント光源と、２光路で構成されるパスマッチ機構を持つフィゾー型干渉光学系と、撮像装置と、該撮像装置からの画像を処理して表示する画像処理装置からなる干渉縞計測装置を用いて、被検レンズの面精度測定および表面欠陥の検査を行う表面検査方法であって、
前記被検レンズを前記干渉縞計測装置にセットしない状態で、前記フィゾー型干渉光学系の参照レンズの参照面からの反射画像を取得し記憶させておく第１の工程と、
前記被検レンズを前記フィゾー型干渉光学系にセットして、前記パスマッチ機構で干渉距離を一致させて干渉縞を創生し、干渉縞画像を取得して記憶する第２の工程と、
前記第２の工程の状態から前記パスマッチ機構で２光路の干渉距離をわずかに相違させ前記干渉縞を消去した後、前記被検レンズ表面に前記撮像装置のピントを合わせ、前記被検レンズの表面画像を取得して記憶する第３の工程と、
前記干渉縞画像の光量分布と前記表面画像の光量分布の各々から前記反射画像の光量分布を減算して、前記被検レンズの新たな干渉縞画像と表面画像とを作成し、それぞれを切り替えて表示する第４の工程とを備える表面検査方法。
【請求項２】
被検体の表面に照射する照明光を発する光源と、
該光源と前記被検体との間の光路上に配置され、該被検体と同一光軸を有し、照明光の一部を反射する参照面を有する参照部材と、
前記光源から発せられ、前記参照面により反射された参照面反射光と、前記参照面を透過して前記被検体の表面により反射され、前記参照面反射光に対して可干渉距離以下の光路差を有する被検面反射光とによって得られる画像を取得する撮像素子と、
該撮像素子により取得された前記画像を処理する画像処理部とを備え、
該画像処理部が、前記参照面反射光のみからなる第１の光量分布を記憶する記憶部と、前記参照面反射光と前記被検面反射光から得られる第２の光量分布から、前記記憶部に記憶されている前記第１の光量分布を減算する演算部とを有する表面検査装置。
【請求項３】
前記照明光を２つに分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタにより分割された一方の照明光と他方の照明光の光路長を調整する光路長調整機構とを備え、
前記参照面反射光と前記被検面反射光との光路差が、前記光源の可干渉距離と同じになる第１状態と前記光源の可干渉距離よりも大きくなる第２状態とを有する請求項２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
合焦機構をさらに備え、
前記第２状態になったときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、
前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引く請求項３に記載の表面検査装置。
【請求項５】
合焦機構をさらに備え、
前記光路長調整機構が、前記一方の照明光または前記他方の照明光の一方を遮断可能な遮断部材を備え、
前記遮断部材により、前記検査光または前記参照光が遮断されたときに、前記合焦機構により前記撮像素子上に前記被検体の像が形成されるように合焦を行い、
前記演算部が、前記合焦状態で得られた前記第２の光量分布から前記第１の光量分布を差し引く請求項３に記載の表面検査装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１９７９８（Ｐ２０１０−１９７９８Ａ）
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８２８０１（Ｐ２００８−１８２８０１）
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１４日（２００８．７．１４）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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